专利名称:加速度计的制作方法
加速度计
背景技术:
加速度计用来检测和测量结构、车辆以及较大型装备的活动部分所经历的加速度。加速度测量结果可以用作到控制系统的输入,控制系统使用该信息来调整或修正动态条件。其应用的某些示例包括刹车检测和修正、用于触发保护响应(例如汽车中的气囊部署或约束收紧)的影响检测,并在转向和暂停时提供反馈控制。另外,检测和测量加速度可以在地震学中的振动检测中起作用。照此,存在对开发准确地且有效地检测加速度的设备的持续兴趣。
图1是根据本公开的示例的加速度计的示意 图2是图示出根据另一示例的加速度计中的电极之间的交叉电容的电路 图3是表示根据本公开的示例的加速度计检测电路的一半的简化电路;
图4是示出根据本公开的另一示例的加速度计中的作为检验质量位移的函数的六个电容的值的图表;
图5是示出了图4中的电容函数的导数的图表;
图6是示出了根据本公开的示例的加速度计中的可以施加于电容的驱动信号的电压的图表;以及
图7是示出了根据本公开的示例修改的驱动信号的电压的图表。
具体实施例方式现在将对某些示例进行参考,并且将在此使用特定语言来对其进行描述。在描述和要求保护这些示例时,将根据下文阐述的定义来使用以下术语。应注意的是在本说明书和所附权利要求中所使用的单数形式“一”、和“该”包括所提及的东西中的一个或多个,除非上下文另外清楚地说明。在此所使用的“驱动信号”或“驱动电压”指的是直接地或间接地施加于电容性加速度计中的电容性元件的电信号,由此,可以基于电容性元件的行为来确定加速度计所经历的加速度。对驱动信号或驱动电压的振幅或量值的参考一般指示例如正弦或其他AC信号的峰到峰振幅,而不是均方根度量。为了方便起见,可以在列表中呈现在此所使用的多个项目、结构元件、组成元件和/或材料。应将这些列表理解为如同列表中的每个成员被单独地识别为分开的且唯一的成员。在此所讨论的示例阐述了提供特定操作特性的加速度计。加速度计可以用来检测和测量结构或车辆或结构或车辆的活动部分所经历的加速度。一个类型的加速度计是电容性加速度计,其中,加速度力通过其对一个或多个电容的值的影响而被检测。特别地,根据在此讨论的原理的电容性加速度计包括被连接至结构支撑体的检验质量,使得检验质量能够相对于结构支撑体且在特定平面中实现位移。此类位移可以在力被施加于支撑结构体时发生,促使其由于检验质量的惯性而相对于检验质量进行加速。结果得到的检验质量与结构支撑体之间的相对位移改变由设置在这两个元件上的电极形成的电容。可以通过向电容施加驱动信号从而产生随检验质量位移而变的输出信号来检测和测量电容性变化。例如,设置在检验质量上的两个电极和设置在结构支撑体上的三个电极组成六元素交叉电容。用以驱动此类电路的信号的一个示例包括施加于一组电极的多个正弦AC电压。由该电路输出的信号的振幅随电容而变,其中,每个电容根据检验质量位移而变。通过测量该信号并使用此关系,可以测量检验质量位置的变化,由此,可以确定由结构的加速度施加的力。已经发现此类信号本身可以在检验质量上施加力。此反馈力增加了跟踪检验质量时的困难。例如,这种情况下的准确的加速度检测要求将测量诱发力与由于外部加速度而施加在检验质量上的力分离。根据本公开的加速度计消除了施加于检验质量上的测量诱发力。在更特别的示例中,加速度计也保持零位(null position)输出。在另一特定示例中,加速度计使输出增益、即检验质量位移与输出电压变化之间的关系最大化。使用电容性加速度计来检测加速度的方法可以包括向位于加速度计中的检验质量上的电极施加驱动电压,从而产生随检验质量的位移而变的输出信号。在特定方面,驱动电压可以包括正弦波形或者替换地包括方波波形。驱动电压的振幅被指定为消除由驱动电压施加于检验质量的力,并且其中,使输出信号的增益最大化。在更特别的示例中,选择驱动电压以保持零位输出。转到附图,并且根据本公开的一个示例,加速度计100包括与支撑结构104相关联或连接至支撑结构104的检验质量102,使得检验质量能够相对于结构支撑体且在特定平面中实现位移。在特定示例中,检验质量与定子电极阵列106平行地定位,并且还能够沿着平行于定子电极阵列的方向实现位移。定子电极阵列包括多个定子电极110。可以使用柔顺材料将检验质量连接至支撑结构以允许检验质量在该平面中的移动。在一方面,该材料也是弹性的,并且释放位移的动能,使检验质量朝着前一位置返回。可以以各种配置将定子电极阵列设置在支撑结构上。在特定示例中,定子电极阵列位于与支撑结构的上表面相对的检验质量的表面上。在此特定方面,在其上面设置了每个电极阵列的表面是平坦表面。转换器电极阵列108也被设置在面对定子电极阵列的检验质量的表面上。在特定方面,转换器电极阵列包括多个转换器电极112。在定子电极阵列106与转换器电极阵列108之间可以存在均匀间隙,该间隙的尺寸在图1中用距离d来表示。在特定方面,该间隙可以为约I微米至约3微米。然而,根据本公开的原理,可以替换地将其他距离用于d。可以以定子电极阵列和转换器电极阵列落入相互平行的表面中的方式来放置检验质量102,使得在定子与转换器电极阵列之间的整个重叠中该间隙是均匀的。每个单独电极阵列包括多个电极。特别地,定子电极阵列106每个包括多个定子电极110且转换器电极阵列108包括多个转换器电极112。在特定方面,转换器电极阵列可以在尺寸方面小于定子电极阵列以计及检验质量102和因此的转换器电极阵列可移动的事实。因此,可以将阵列放置成使得遍及检验质量102的整个运动范围在定子与转换器电极阵列之间存在重叠。电极阵列中的每个电极可以包括金属或其他导体。在特定方面,电极在形状上可以是大体上矩形的。然而,应理解的是如结合所阐述的示例或在此所述的原理所希望的,可以采用其他形状和尺寸的导体。除间隙d之外,每个阵列具有总长度L。在特定示例中,在每个电极阵列内使用均匀间距,使得该阵列具有特定节距P,即相应电极阵列中的每个电极中的公共点之间的距离。应注意的是可以以除了所描述的线性或矩形阵列之外的配置来设置电极。例如,可以以环形阵列来设置电极以供在检测角加速度和位移时使用,或者还可以将其他布置用于特
定应用。出于举例说明在此所讨论的原理的目的,参考定子电极阵列106和转换器电极阵列108来描述示例性示例。然而应注意的是相同的原理适用于其中实际上存在多个定子电极阵列和多个转换器电极阵列的示例。例如,可以存在四对转换器电极阵列,其中,检验质量在平行于定子电极阵列的平面内在两个维度上移动。 此外,每个阵列可以包括多个电极图案,其中,每个图案包括两个或更多电极,并且每个图案内的每个电极与在其相应图案中占据相同位置的其他图案中的其他电极相对应。每个图案中的对应电极被相互电耦合。另外,可以使图案在任一阵列或两个阵列内相对于彼此交错。根据示例,加速度计100还包括驱动电路114以提供加速度计的部件之间的连接并促进驱动部件以用于检测。可以由包括在驱动电路114中的驱动控制器118来执行驱动电压的确定和输送,并且可以将其设置成检测或以其他方式接收相关规格作为输入并因此调整信号电压。该电路提供电极之间的连接,并且在该电路内,对应的成对电极形成电容。例如,如图I所示,定子电极110 (A、B和C)被电耦合且转换器电极112 (a和b)被电耦合。定子电极与转换器电极形成电容从而形成总共六个可变电容Cf CbA、Ca^ CbB、Cac以及Cbc。这些电容组成六元素交叉电容,其等效电路在图2中示出。这些电容随着转换器电极阵列108相对于定子阵列106移位而改变。该电路还可以向电容输送驱动信号。在特定方面,该电路向电极阵列中的一个输送驱动信号,生成受电路中的电容的值的影响的输出。所使用的驱动信号可以包括产生输出的电压波形。应理解的是在此所用来描述电压波形的术语可以指的是稍微偏离纯形式的波形。例如,正弦电压还可以包括具有准正弦波形的电压。在一个示例中,驱动信号包括多个正弦电压。照此,该电路包括AC电压源或者替换地包括到此类源的连接。在特定方面,电压源经由电容器连接,从而将下游电路与DC电压隔离。在另一特定方面,指定AC电压源的频率,以便高于闭环带宽或系统机械响应。在替换示例中,驱动信号包括方波电压。在更特别的示例中,并且还参考图1,该多个驱动信号包括被输送到定子电极110的正弦电压。驱动电压Va被施加于定子电极A,驱动电压Vb被施加于定子电极B,并且驱动电压\被施加于定子电极C。因此,每个驱动信号将遇到两个电容,即跨电容C3a和CbA的Va ;跨Cafi和CbB的Vb ;以及跨Cae和Cbe的V。。根据本示例,生成两个输出信号116,在转换器电极a和b的每个处可检测到一个。这两个输出信号是基于定子电极阵列106与转换器电极阵列108之间的相间电容。在本示例中,这两个信号输出对应于两个转换器电极。也就是说,定子电极阵列与转换器电极阵列之间的交叉电容导致转换器电极处的信号。在检验质量102相对于支撑结构104移动时,转换器电极112和定子电极110的相对位置以角度方式变化。电容变化函数是加速度计的规格所特定的,特别是阵列或电极图案的阵列节距和长度所特定的。例如,可以选择转换器电极阵列108的节距与阵列之间的间隙d的比以便获得每位置变化的特定交叉电容变化(dC/dx)。在特定示例中,该比被指定为等于1.6。在此类状况下,交叉电容的变化是正弦的,并且可以适当地用具有等于组长度L的周期的单分量傅立叶展开来表示。然而,应理解的是可以将其他值用于转换器电极阵列的节距与间隙d的比。根据h=2vD/L,位移D与阵列或图案长度L的比得到位置相角沒P。
在具有间隙d = O. I //m的加速度计的特定示例中,每个电容以准正弦的方式作为位移相角的函数而变。实际波形可以基于诸如电极形状和检验质量与支撑结构之间的耦合的物理特性的因素而变。该电路还可以用来通过输出信号116的测量而检测或感测电极阵列106和108之间的电容的变化程度。基于电容变化,此类电路产生与加速度计所经历的加速度成比例的适当信号。更具体地,所实现电路的输出信号可以是驱动信号的振幅调制版本,其中,该振幅是相应电容的值的函数。在另一方面,还可以将输出信号解调以产生与输出信号的振幅和/或电容的值成比例的输出电压。多个信号输出允许通过输出信号116中的任何一个的多个循环跟踪检验质量移动。在特定示例中,选择转换器阵列108和定子阵列106的节距,使得输出信号的变化跨Θ P的范围分布,因此,每个提供检验质量102的位移的独立度量。更特别地,选择节距的t匕,使得输出信号的最大值和最小值跨检验质量位移的范围均匀地分布。在特定示例中,转换器电极阵列的节距与定子电极阵列的节距的比为约1.5。在其中信号输出中的任何一个接近零斜率(正弦曲线中的负或正峰值)的特定方面,其他两个信号输出的斜率应明显是负的或正的,并且因此提供位置信息。结果,可以跨输出中的任何一个的整个循环跟踪检验质量102的移动。因此,加速度计可以跟踪检验质量大于信号输出中的任何一个的单个变化循环的距离或大于组长度L的距离的移动。如上文所讨论的,驱动信号电压可以向检验质量施加力。存储在电容器中的能量是由下式给出的
权利要求
1.一种加速度计110,包括 支撑结构104,其具有位于其上面的包括定子电极A、定子电极B和定子电极C的定子电极阵列106 ; 检验质量102,其与定子电极阵列平行地定位并能够实现在平行于定子电极阵列的方向上的位移,并且具有位于其上面的面对定子电极阵列且包括转换器电极a和转换器电极b的转换器电极阵列108,其中,所述定子电极和所述转换器电极形成电容、Cac以及Cb。;以及 驱动电路114,其用以向所述电容施加多个驱动电压,从而生成两个输出信号116,其中,由驱动电压施加于检验质量上的合力保持恒定为约零。
2.权利要求I的加速度计,其中,所述驱动电路向电容C3a和CbA施加驱动电压VA、向电容CaB和CbB施加驱动电压Vb并向电容Cac和Ck施加驱动电压\,使得 F = - ^ 'V^C1 +FiIC2 + if C 其中Gl = +=(dCld} i)ChR\2 — \(hr "r ]:i:Jr, [OCltc i οα,(Λ-.3 == I -7;H--^I\ r/.v a:v ) 并且其中,X是检验质量相对于支撑结构的位移。
3.权利要求I或2的加速度计,其中,所述驱动电路向所述电容施加驱动电压,使得这两个输出信号之间的电压差在检验质量的位移为零时恒定为约零。
4.权利要求I或2的加速度计,其中,所述驱动电路施加驱动电压,从而使δ'/δχ最大化,其中,V。是两个输出信号之间的电压差,并且其中,X是检验质量相对于支撑结构的位移。
5.权利要求I的加速度计,其中,指定了定子电极阵列的节距与转换器电极阵列的节距的比,使得这两个输出信号中的每一个是正弦的。
6.权利要求I的加速度计,其中,指定了定子电极阵列的节距与定子电极阵列和转换器电极阵列之间的距离的比,使得这两个输出信号的最大值和最小值跨检验质量的位移范围均匀分布。
7.权利要求I至6中的任一项所述的加速度计,其中,所述驱动电压是正弦波。
8.权利要求I至6中的任一项所述的加速度计,其中,所述驱动电压是方波。
9.权利要求I的加速度计,其中,所述驱动电路包括驱动控制器118以控制驱动电压的振幅。
10.一种加速度计110,包括 支撑结构104,其具有位于其上面的多个定子电极110 ;检验质量102,其与支撑结构平行地定位并具有位于其上面的面对定子电极的多个转换器电极112,其中,所述定子电极和所述转换器电极形成多个电容; 驱动电路114,其用以向所述电容施加多个驱动电压,从而产生两个输出信号116 ;以及 驱动控制器118,其控制驱动电压的振幅,使得由驱动电压施加于检验质量上的合力保持恒定为约零且输出增益被最大化。
11.权利要求10的加速度计,其中,所述驱动电路向电容施加驱动电压,使得这两个输出信号之间的电压差在检验质量的位移为零时恒定为约零。
12.权利要求10的加速度计,其中,所述输出增益是δV。/δχ,其中,V。是两个输出信号之间的电压差,并且其中,X是检验质量相对于支撑结构的位移。
13.一种使用电容性加速度计来检测加速度的方法,包括向位于加速度计中的检验质量上的电极施加驱动电压,从而产生随检验质量的位移而变的输出信号,其中,驱动电压的振幅被指定为消除由驱动电压施加于检验质量的力,并且其中,输出信号的增益被最大化。
14.权利要求13的方法,其中,所述驱动电压被施加于电极,从而产生两个输出信号,使得这两个输出信号之间的电压差在检验质量的位移为零时恒定为约零。
15.权利要求13的方法,其中,所述驱动电压是正弦波或方波。
全文摘要
加速度计100可以包括具有位于其上面的包括多个定子电极110(例如A、B和C)的定子电极阵列106的支撑结构104;以及与定子电极阵列平行地定位且能够实现与之平行的位移的检验质量102。面对定子电极阵列的转换器电极阵列108可以包括可以位于检验质量上的多个转换器电极112(例如a和b)。还包括的是用以向由定子和转换器电极形成的六个电容施加驱动电压的驱动电路114。由驱动电压施加于检验质量上的合力保持恒定于约零。
文档编号H01G5/011GK102985832SQ201080068027
公开日2013年3月20日 申请日期2010年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者R.N.比克內尔, B.D.霍梅耶 申请人:惠普发展公司,有限责任合伙企业